第五篇HD实验类文章--吸烟引发的人体牙龈组织变化的单细胞空间图谱

作者，Evil Genius

今天我们分享文章，吸烟对牙龈的影响，个人看到的第五篇HD实验类的文章。

为了健康，吸烟能戒就戒了吧。

知识积累

吸烟会破坏上皮屏障完整性，诱导成纤维细胞异常改变，并导致成纤维细胞-上皮细胞通讯失调，从而加剧牙周炎

空间分析显示内皮细胞与巨噬细胞存在密切的空间互作关系，这种互作会促进吸烟性牙周病的进展

靶向内皮细胞CXCL12信号通路可显著降低促炎性巨噬细胞表型，缓解上皮炎症并减少牙槽骨吸收

牙周炎是一种高发的慢性炎症性疾病，其特征是细菌感染与宿主免疫反应的复杂相互作用，导致牙周支持组织破坏，最终引发牙齿脱落，吸烟作为牙周炎的重要危险因素，会显著加速疾病进展并降低治疗效果。

结果1、人类牙龈单细胞分辨率空间转录组图谱构建

本研究构建了首个单细胞分辨率的人牙龈空间转录组图谱：

• 采集12例临床样本（4例健康对照HG，4例普通牙周炎P，4例吸烟相关牙周炎SP）
• 制备福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）组织块（每组n=4）
• 采用Visium HD平台对FFPE切片进行高精度空间转录组分析

细胞注释

• 上皮细胞（KRT4/KRT6B+）
• 成纤维细胞（COL1A1/COL12A1+）
• 内皮细胞（VWF/AQP1+）
• 免疫细胞

免疫细胞亚群细分

• T细胞（TRAC/CD3D+）
• 浆细胞（IGHG1/IGKC+）
• 巨噬细胞（CD68/LYZ+）
• 中性粒细胞（FCGR3B/MPO+）

结果2、吸烟对牙龈上皮细胞的损伤机制

上皮屏障破坏的分子基础

通过空间转录组分析，将牙龈上皮细胞划分为4个功能亚群，并鉴定了各亚群的特征标记基因：

• Epi-1：角质蛋白Cornulin（CRNN）→ 黏膜屏障保护与修复功能
• Epi-2：角蛋白6B（KRT6B）→ 维持细胞机械强度与抗应力能力
• Epi-3：LY6D膜蛋白→ 参与上皮稳态信号调控
• Epi-4：基底细胞角蛋白5（KRT5）→ 提供结构稳定性以应对摩擦张力

免疫荧光染色验证了这些标记分子的空间定位与测序结果高度一致，证实了单细胞数据的生物学可靠性。

吸烟特异性基因表达改变

对比普通牙周炎（P组）与吸烟相关牙周炎（SP组）上皮细胞的差异表达基因（DEGs），发现吸烟显著上调以下通路：

• 金黄色葡萄球菌感染相关基因（如KRT1）
• 氧化应激通路（GPX2）
• 体液免疫应答
• 角质化膜形成（DSG1）

空间基因表达图谱显示，这些关键基因（KRT1/DSG1/PI3/GPX2）在吸烟组呈现显著差异分布。体外实验证实：

• LPS（100 nM）模拟炎症微环境
• LPS+尼古丁（100 nM）模拟吸烟效应

qPCR结果显示上述基因的表达变化与组织空间表达模式高度吻合。

机制阐释

吸烟通过以下途径加剧牙周炎风险：

✓ 破坏上皮细胞连接结构（DSG1/KRT1下调） ✓ 增强氧化应激损伤（GPX2通路激活） ✓ 诱发异常免疫应答（PI3相关信号上调）

结果3、吸烟诱导的成纤维细胞改变及上皮-间质通讯失调

功能基因组学分析

通过对吸烟相关牙周炎（SP组）与普通牙周炎（P组）成纤维细胞的差异基因进行GO富集分析，发现：

• 相较于健康对照：吸烟组显著上调衰老相关基因、内源性凋亡信号通路及有丝分裂过程
• 相较于慢性牙周炎：吸烟组特异性富集细胞趋化性、白细胞增殖及衰老相关通路

细胞亚群空间重构

将成纤维细胞分为8个功能亚群并进行空间定位，统计分析显示：

• Fib-8亚群在吸烟相关牙周炎组中的比例显著高于普通牙周炎组和健康组（p<0.01）
• 该亚群空间分布与上皮损伤区域存在显著共定位

机制阐释

吸烟通过三重破坏加剧牙周病变：

• (1) 促衰老效应：激活p16INK4a/p53通路加速细胞衰老
• (2) 炎症放大：通过CCL2/CCR2轴增强白细胞募集
• (3) 通讯障碍：下调E-cadherin/β-catenin破坏上皮-间质信号传递

研究发现，吸烟会显著上调Fib-8亚群中与以下通路相关基因的表达：

• 创伤修复通路：IGFBP2、COMP
• 趋化因子通路：CXCL14、HSPB1、S100A14
• 细胞衰老通路：S100A8、S100A9

通过CellChat细胞互作分析发现，成纤维细胞通过特定配体-受体对与上皮细胞相互作用：

• 促炎性互作：COL3A1-ADGRG1、EPGN-EGFR、NECTIN1-NECTIN4
• 异常增殖信号：WNT5A-SFRP1、SEMA4D-PLXNB1

其中EPGN-EGFR信号通路可能诱导：

✓ 上皮细胞过度增殖 ✓ 未分化迁移 ✓ 屏障功能破坏

在吸烟相关慢性炎症环境中，上皮-成纤维细胞通讯异常表现为：

• 增强信号：AGRN-PTPRS、IGFBPS-TMEM219、WNT5A-SFRP2 • 促炎表型：成纤维细胞中PTPRS和SFRP2上调与既往研究一致

这种异常互作可能导致：

• 促炎性成纤维细胞积聚→驱动上皮异常增殖
• 上皮屏障稳定性下降→促进细菌/炎性因子浸润
• 通过AGRN-PTPRS等信号导致成纤维细胞功能紊乱→加剧牙周组织损伤

研究证实，吸烟通过：

→ 上调成纤维细胞衰老/趋化相关基因 → 破坏上皮-间质细胞通讯平衡 → 最终损害牙周组织完整性

结果4、吸烟通过巨噬细胞功能失调破坏免疫微环境

免疫细胞动态变化

对牙龈组织中免疫细胞的单细胞分析显示：

• 吸烟相关牙周炎组免疫细胞占比显著升高（达40.6%）
• 浆细胞增幅最显著：从慢性牙周炎组的18.7%升至27.8%
• 巨噬细胞比例从3%上升至5.6%

巨噬细胞表型转化

CellChat分析揭示吸烟组巨噬细胞特异性上调促炎信号通路：

✓ VEGF信号 → 促进血管通透性 ✓ WNT通路 → 激活炎症反应 ✓ CD40/IL2信号 → 增强免疫应答

差异基因分析显示：

上调通路：

• 创伤应答
• 白细胞介导免疫
• 细菌应答
• 炎症反应

下调通路：

• IL-4/IL-13抗炎信号
• 细胞迁移正向调控
• IGF转运调节

空间互作特征

通过Squidpy共定位分析发现：

• 巨噬细胞与内皮细胞的空间距离显著近于其他免疫细胞（中性粒细胞/T细胞/浆细胞）
• 吸烟组中巨噬-内皮细胞空间共定位最为显著（距离最短）
• 组织切片显示巨噬细胞特异性聚集于内皮细胞周围

结果5、内皮细胞炎症与巨噬细胞互作加剧吸烟相关牙周炎的分子机制

内皮细胞功能异常

通过对比健康组（HG）、慢性牙周炎组（P）和吸烟相关牙周炎组（SP）发现：

标志物表达：SP组内皮细胞标志物PECAM表达显著升高

通路激活：

• DNA损伤应答
• 血管形态发生
• 抗原刺激的急性炎症反应

转录调控：NFKB1、RELA、STAT3等促炎转录因子构成核心调控网络

吸烟特异性内皮改变

GO分析显示SP组内皮细胞特异性激活：

• DNA损伤修复通路 • 巨噬细胞增殖调控 • 细菌刺激应答

这些变化可能导致：

✓ 血管内皮完整性破坏 ✓ 促进免疫细胞（尤其巨噬细胞）募集与激活 ✓ 削弱抗菌防御能力

内皮-巨噬细胞轴调控

细胞通讯分析揭示：

关键信号轴：内皮源CXCL12通过结合巨噬细胞CXCR4发挥作用

• CXCL12表达量显著高于其他内皮-巨噬互作配体
• SP组内皮细胞CXCL12表达较P组显著上调

空间证据：

• 高表达CXCL12的内皮细胞
• 高表达CXCR4的巨噬细胞
• 两者在组织空间上紧密相邻

临床意义

内皮细胞通过"炎症-损伤-招募"恶性循环加剧疾病进展：

① 吸烟诱导内皮DNA损伤和凋亡 ② 激活NF-κB/STAT3通路促进CXCL12分泌 ③ CXCL12-CXCR4轴驱动巨噬细胞向血管周围聚集 ④ 放大局部炎症反应→加速牙周组织破坏

结果6、靶向内皮CXCL12调控巨噬细胞极化缓解牙周炎症的转化研究

机制发现

基于SP组内皮细胞CXCL12高表达及其与巨噬细胞的空间共定位特征，研究发现：

• 生物信息学预测：STRING数据库分析显示CXCL12可能上调CXCL14、S100A8/A9等促炎基因
• 空间转录组验证：吸烟组巨噬细胞中CXCL14/APOE/C1QC/S100A8/A9等基因表达显著升高

基因干预实验

采用内皮特异性Tie1启动子构建AAV-shCXCL12载体：

• 尼古丁刺激下，AAV-shCXCL12组内皮细胞CXCL12表达降低70%
• 该内皮条件培养基使骨髓源巨噬细胞（BMDMs）： ✓ 促炎标志物CD86↓ ✓ 抗炎标志物CD206↑

动物模型验证

在"结扎+尼古丁注射"构建的小鼠吸烟性牙周炎模型中：

治疗效果：

• 免疫荧光证实AAV-shCXCL12显著降低内皮CXCL12表达
• micro-CT显示牙槽骨破坏减少40%
• HE染色证实骨吸收面积缩小

炎症调控：

• 牙周组织中TNF-α等炎性因子表达显著下降

转化医学意义

本研究阐明：

① 内皮-巨噬细胞通过CXCL12-CXCR4轴形成正反馈炎症环路 ② 靶向抑制内皮CXCL12可：

• 促进巨噬细胞向抗炎表型（M2）转化
• 减轻牙槽骨吸收 ③ 为吸烟相关牙周炎提供精准治疗新靶点

最后，来看看方法

生活很好，有你更好